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Projekt
Sorptionsthermodynamik und Aggregierung als Kontrollfaktoren mikrobieller Substratverwertung und Mineralisierung 2: Reaktion auf komplexe Randbedingungen
Antragstellerinnen / Antragsteller
Professorin Dr. Friederike Lang; Professorin Dr. Ines Mulder; Professor Dr. Jan Siemens; Dr. Kenton Stutz
Fachliche Zuordnung
Bodenwissenschaften
Förderung
Förderung seit 2021
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 465123895
Die Sorptionsstärke organischer Moleküle an Minerale und die Stabilität von Aggregaten, die organische Substrate schützen, gehören zu den Randbedingungen, die "die Energie- und Stoffdynamik der Bodenbiota prägen." (Gesamthypothese C des SPP 2322). Obwohl die Stabilisierung der organischen Substanz gegen mikrobiellen Abbau seit längerem mit der Sorption an die Bodenfestphase in Verbindung gebracht wird, ist die Einbeziehung der Thermodynamik von Sorptionsprozesse noch Gegenstand laufender Forschung. Bislang haben wir herausgefunden, dass die Sorptionsenergie von Carbonsäuren an Eisenoxidoberflächen wahrscheinlich eine dominierende Kontrolle über deren mikrobieller Verstoffwechselung und auch quantitativ für die Sequestrierung von Kohlenstoff von zentraler Bedeutung ist. Bei anderen Substraten wie Zucker oder Aminosäuren überlagern biochemische Stoffwechselwege und Randbedingungen wie Nährstoffverfügbarkeit, Feuchte oder pH-Wert den Einfluss der Sorptionsthermodynamik und steuern das Verhältnis von mineralisierten zu assimilierten Substraten. Es ergeben sich die folgenden Hypothesen: (HI) Die freie Gibbs-Energie der Sorption kleiner organischer Säuren sowie die thermodynamische Hysterese steigen mit geringerer Kristallinität und zunehmender Anzahl von Hydroxylgruppen an der Oberfläche der sorbierenden Oxidminerale, (HII) die Kohlenstoffnutzungseffizienz hängt v.a. von der Assimilation ab und resultiert aus einer Kombination von Sorptionsstärke, Desorbierbarkeit und komplexen Randbedingungen (HIII) die mikrobielle Nutzung sorbierter Substrate nimmt mit größerer funktioneller Vielfalt und Komplexität der mikrobiellen Bodengemeinschaft bei konstanter N-, P- und Energieverfügbarkeit zu und (HIV) die Stabilität mineralischer Aggregate nimmt mit abnehmendem osmotischen Potenzial zu und damit einhergehend wird die Zugänglichkeit organischer Substrate für den mikrobiellen Abbau verringert. Diese vier Hypothesen werden durch gespiegelte mineral- und aggregatbasierte Ansätze in sechs Arbeitspaketen (AP) in Bochum/Giessen bzw. Freiburg getestet. Der mineralbasierte Ansatz skaliert von Mineraloberflächen-Molekül-Interaktionen bis hin zur mikrobiellen Nutzung von Substraten, mit zunehmender Komplexität der Mineraloberflächen (OH-Gruppen, Kristallinität) und Mischungen. Der auf Aggregaten basierende Ansatz skaliert vom Wasserpotenzial von Bodensäulen zu individuellen, wasserstabilen Aggregaten die aus der komplexen Wechselwirkung zwischen Wasser, Energie und Mikroorganismen resultiert. Als Minerale werden Goethit, Böhmit, Illit und Kaolinit synthetisiert oder aufbereitet. Ebenso wird ein gemeinsamer Satz von Substraten verwendet: Glukose, Zitronensäure, Phenylalanin und teilweise Phenol. Als Bodenmaterial wird Thyrow und eine Auswahl an Proben aus den Batterie- und Komplexitäts-Verbundversuchen genutzt. Ergebnisse des Projektes wird wesentliche Erkenntnisse für die Integration thermodynamischer Konzepte in die Funktionsweise von Bodenökosystemen liefern.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
